第一講半導體基本知識

模擬電子技術基礎第一講緒論主講：柳娟

本課程是入門性質的技術基礎課1947年12月23日，第一次觀測到了具有放大作用的晶體管；1947年12月23日第一個點接觸式NPNGe晶體管

發(fā)明者：W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain獲得1956年Nobel物理獎1946年1月，Bell實驗室正式成立半導體研究小組：W.Schokley，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了表面態(tài)理論，Schokley給出了實現(xiàn)放大器的基本設想，Brattain設計了實驗；晶體管的發(fā)明一、電子技術的發(fā)展一、電子技術的發(fā)展1947年貝爾實驗室制成第一只晶體管1958年集成電路1969年大規(guī)模集成電路1975年超大規(guī)模集成電路二、模擬信號與模擬電路1.電子電路中信號的分類數(shù)字量：離散性模擬量：連續(xù)性，大多數(shù)物理量，如溫度、壓力、流量、液面……均為模擬量。2.模擬電路模擬電路：對模擬量進行處理的電路，最基本的處理是放大。放大：能量的控制。輸入為小信號，有源元件控制電源使負載獲得大信號，并保持線性關系。有源元件：能夠控制能量的元件。三、“模擬電子技術基礎”課程的特點

工程性實際工程需要證明其可行性。強調定性分析。實際工程在滿足基本性能指標的前提下總是容許存在一定誤差范圍的。定量分析為“估算”。近似分析要合理。抓主要矛盾和矛盾的主要方面。電子電路歸根結底是電路。不同條件下構造不同模型。實踐性常用電子儀器的使用方法電子電路的測試方法故障的診斷與排除方法EDA軟件的應用方法四、如何學習這門課程

掌握基本概念、基本電路和基本分析方法基本概念：概念是不變的，應用是靈活的。基本電路：構成原則是不變的，具體電路是多種多樣的?；痉治龇椒ǎ翰煌愋偷碾娐酚胁煌男阅苤笜撕兔枋龇椒ǎ蚨胁煌姆治龇椒?。學會辯證、全面地分析電子電路中的問題根據(jù)需求，用適用的電路才是最好的電路。研究利弊，通?！坝幸焕赜幸槐住?。注意電路中常用定理在電子電路中的應用五、課程目的

掌握基本概念、基本電路、基本分析方法、基本實驗技能具有能夠繼續(xù)深入學習和接收電子技術新發(fā)展的能力，將所學知識用于本專業(yè)的能力。建立起系統(tǒng)的觀念、工程的觀念、科技進步的觀念和創(chuàng)新意識。

會看：讀圖、定性分析會算：定量計算、CAD考察分析問題的能力

會選：電路形式、器件、參數(shù)考察解決問題的能力----設計能力會調：測試方法、儀器選用、EDA考察解決問題的能力----實踐能力六、考察方法綜合應用所學知識解決問題第一章半導體器件第一章半導體器件§1.1

半導體基礎知識一、本征半導體二、雜質半導體三、PN結的形成及其單向導電性四、PN結的電容效應1.什么是半導體分類材料電導率導體鋁、金、鎢、銅等105S·cm-1半導體硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等10-9~10-2S·cm-1絕緣體SiO2、SiON、Si3N4等10-22~10-14S·cm-1按集成電路制造所應用到的材料分類半導體材料在集成電路的制造中起著根本性的作用，摻入雜質可改變電導率/熱敏效應/光電效應硅、砷化鎵和磷化銦是最基本的三種半導體材料一、本征半導體2.半導體的導電特性摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質,導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、晶體管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時,導電能力明顯變化(可做成各種光敏元件,如光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管等)。熱敏性：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強

(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。3.

本征半導體

完全純凈的、晶格完整的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價鍵結構共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。價電子價電子

價電子在獲得一定能量(溫度升高或受光照)后,即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子(帶負電),同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導體的導電機理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

溫度愈高，晶體中產生的自由電子便愈多。自由電子

在外電場的作用下,空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結果相當于空穴的運動(相當于正電荷的移動)。空穴本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流：

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)本征半導體中的載流子數(shù)目極少,其導電性能很差;(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。本證半導體中自由電子和空穴總是成對地產生的同時,又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中的載流子便維持一定的數(shù)目。

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子

在本征半導體中摻入微量的雜質(某種元素),形成雜質半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。P+二、雜質半導體1.N型半導體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或

P型半導體。摻入三價元素

在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子,自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。二、雜質半導體2.P型半導體183.雜質半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。193.雜質半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體在雜質半導體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？1.在雜質半導體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。2.在雜質半導體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。3.當溫度升高時，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）baOpenforQuestion食物不咀嚼不好消化，知識不討論不易吸收三、PN結及其單向導電性1.

PN結的形成多子的擴散運動內電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體空間電荷區(qū)也稱PN結。

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)

內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。

擴散的結果使空間電荷區(qū)變寬。2.PN結的單向導電性（1）

PN結加正向電壓(正向偏置)P接正、N接負

內電場被削弱，多子的擴散加強,形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態(tài)。PN結變窄外電場IF內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–U2.PN結加反向電壓(反向偏置)外電場P接負、N接正內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－+–UPN結變寬2.PN結加反向電壓(反向偏置)外電場

內電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少,形成很小的反向電流。IRP接負、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增大。

PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態(tài)。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－+–U26四、PN結的電容效應勢壘電容CB：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。擴散電容CD：為了形成正向電流（擴散